(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
制御信号に応じてチューニング可能であり、あるレーザ周波数でレーザビームを生成するレーザと、
光共振器内を周回するウィスパリングギャラリーモードをサポートするように構造化され、前記レーザに光結合され、前記ウィスパリングギャラリーモードの前記光共振器内に前記レーザビームの一部を受け入れ、前記光共振器内の前記ウィスパリングギャラリーモードのレーザ光を前記レーザに戻して、前記ウィスパリングギャラリーモードの周波数でレーザ周波数を安定させ、及びレーザの線幅を縮小する光共振器と、
前記光共振器にエバネッセント結合し、前記光共振器内の前記ウィスパリングギャラリーモードへの光及び前記ウィスパリングギャラリーモードからの光を結合する光カプラと、
前記レーザと前記光カプラとの間で光結合され、前記レーザビームを前記光カプラに向け、前記光共振器からのレーザ光を前記レーザに向けるレンズアセンブリと、を備え、
前記光共振器は、環境摂動に対して前記ウィスパリングギャラリーモードを安定させるようにチューニング可能であり、前記光共振器から前記レーザへの前記レーザ光のフィードバックは、前記光共振器内の前記ウィスパリングギャラリーモードの安定性を前記レーザに伝え、
前記光共振器は、当該光共振器の表面に形成される光回折格子であって、前記光共振器から前記レーザに戻るように結合される前記ウィスパリングギャラリーモードの逆伝播光を発生させるように、前記光共振器内を周回するウィスパリングギャラリーモードの受けたレーザ光と相互作用する光回折格子を有し、
前記レンズアセンブリは、前記レーザに隣接して配置され、小さい開口を有するように構成され、前記レーザに光をフォーカスし、及び前記レーザから光を回収する第１のＧＲＩＮレンズと、前記光カプラに隣接して配置され、大きい開口を有するように構成され、前記光カプラに光をフォーカスし、及び前記光カプラから光を回収する第２のＧＲＩＮレンズとを備えるレーザデバイス。
【請求項２】
前記ウィスパリングギャラリーモードの周波数を制御及びチューニングして、前記光共振器から前記レーザへの前記レーザ光のフィードバックを介して、前記レーザのレーザ周波数をチューニングする共振器チューニングメカニズムを備える請求項１記載のレーザデバイス。
【請求項３】
前記共振器チューニングメカニズムは、前記光共振器の温度を制御及びチューニングして、前記レーザのレーザ周波数をチューニングする請求項２記載のレーザデバイス。
【請求項４】
前記共振器チューニングメカニズムは、前記光共振器に加えられる圧力を印加及び制御して、前記レーザのレーザ周波数をチューニングする請求項２記載のレーザデバイス。
【請求項５】
前記光共振器は、前記光共振器に印加される電位に応じて、屈折率を変更する電気光学材料を備え、
前記共振器チューニングメカニズムは、前記電位を印加及び制御して、前記レーザのレーザ周波数をチューニングする請求項２記載のレーザデバイス。
【請求項６】
前記共振器チューニングメカニズムは、前記電位を変調して、前記光共振器のウィスパリングギャラリーモードの周波数及び前記レーザのレーザ周波数を変調するように構成されている請求項５記載のレーザデバイス。
【請求項７】
前記ウィスパリングギャラリーモードの周波数で前記レーザ周波数を安定させながら、前記共振器チューニングメカニズムを介して前記光共振器のウィスパリングギャラリーモードの周波数を調整すると共に、前記レーザのレーザ周波数を調整する制御メカニズムを備える請求項５記載のレーザデバイス。
【請求項８】
前記光カプラは、プリズムを備える請求項１記載のレーザデバイス。
【請求項９】
ウィスパリングギャラリーモード光共振器によってレーザを制御する方法において、
レーザ出力のレーザ周波数をチューニングするための制御信号に応じてチューニング可能なレーザからのレーザ出力を、ウィスパリングギャラリーモードをサポートする電気光学材料から形成され、表面に形成される光回折格子を含む光共振器に結合するステップと、
前記光共振器の表面における前記光回折格子によって生成される、前記ウィスパリングギャラリーモードの前記光共振器からの逆伝播光を結合するステップと、
前記光共振器からの前記結合されたレーザ光を前記レーザに戻して注入して、前記レーザ周波数を前記ウィスパリングギャラリーモードの周波数で安定させ、及び前記レーザの線幅を縮小するステップと、
前記ウィスパリングギャラリーモードの周波数で前記レーザ周波数を安定させながら、前記レーザへの制御信号及び前記光共振器の電気光学材料に印加される電圧の少なくとも１つを制御して、前記レーザ周波数をチューニングするステップと、を有し、
前記光共振器は、環境摂動に対して前記ウィスパリングギャラリーモードを安定させるようにチューニング可能であり、前記光共振器から前記レーザへの前記レーザ光のフィードバックは、前記光共振器内の前記ウィスパリングギャラリーモードの安定性を前記レーザに伝える方法。
【請求項１０】
前記光共振器の電気光学材料に印加される電圧を変調して、前記レーザ周波数を変調するステップを有する請求項９記載の方法。
【請求項１１】
前記光共振器の電気光学材料に印加される電圧を変調して、前記レーザからの前記レーザ出力を変調するステップと、
前記変調の間に、同時に、前記レーザへの制御信号をチューニングして、前記レーザ周波数をチューニングするステップと、を有する請求項９記載の方法。
【請求項１２】
ベースプレートと、
前記ベースプレート上に取り付けられ、制御信号に応じてチューニング可能であり、あるレーザ周波数でレーザビームを生成するレーザと、
前記ベースプレートに取り付けられ、電気光学材料から形成され、光共振器内で反対の方向である第１及び第２の方向に沿って周回するウィスパリングギャラリーモードの光をサポートする光共振器と、
前記ベースプレートに取り付けら、前記光共振器に光結合され、前記レーザからのレーザビームのレーザ光を、ウィスパリングギャラリーモードのレーザ光として前記光共振器にエバネッセント結合し、前記光共振器からのレーザ光をエバネッセント結合して、フィードバックレーザ光を生成する光カプラと、
前記ベースプレートに取り付けられ、前記レーザと光カプラとの間で光結合され、前記レーザから前記光カプラに前記レーザビームを向け、及び前記光カプラから前記レーザに前記フィードバックレーザ光を向けるレンズアセンブリと、
前記光共振器上に形成され、電気的共振器制御信号を受信する電極と、
前記ベースプレート上に形成され、前記光共振器上の前記電極に前記電気的共振器制御信号を供給する電気的フィード導体と、を備え、
前記光カプラは、前記レーザからのレーザビームのレーザ光を、前記第１の方向に沿った、前記ウィスパリングギャラリーモードにおける前記レーザ光として前記光共振器に結合するように構成されており、
前記光共振器は、環境摂動に対して前記ウィスパリングギャラリーモードを安定させるようにチューニング可能であり、前記光共振器から前記レーザへの前記レーザ光のフィードバックは、前記光共振器内の前記ウィスパリングギャラリーモードの安定性を前記レーザに伝え、
前記光共振器は、当該光共振器の表面に形成される光回折格子であって、前記第１の方向に沿った、前記ウィスパリングギャラリーモードの前記レーザ光と相互作用し、前記第２の方向に沿った前記ウィスパリングギャラリーモードの逆伝播レーザ光を生成する光回折格子を有し、前記逆伝播レーザ光は、前記光カプラによって前記光共振器から前記レーザに前記フィードバックレーザ光として結合され、
前記レンズアセンブリは、前記レーザに隣接して配置され、小さい開口を有するように構成され、前記レーザに光をフォーカスし、及び前記レーザから光を回収する第１のＧＲＩＮレンズと、前記光カプラに隣接して配置され、大きい開口を有するように構成され、前記光カプラに光をフォーカスし、及び前記光カプラから光を回収する第２のＧＲＩＮレンズとを備えるレーザデバイス。
【請求項１３】
前記ベースプレート上の前記レーザと前記光共振器との間の光路内に取り付けられ、前記ベースプレートからの前記レーザビームの高さを変更するように調整可能な光学的に透明なプレートを備える請求項１２記載のレーザデバイス。
【請求項１４】
前記電気的フィード導体へのＲＦ変調信号を生成し、前記光共振器を変調することによって、前記レーザビームをＲＦ変調するＲＦ回路を備える請求項１２記載のレーザデバイス。
【請求項１５】
前記光カプラに係合され、前記光カプラと光共振器との間の間隙を制御するように動作可能な位置制御モジュールを備える請求項１２記載のレーザデバイス。
【請求項１６】
前記光カプラは、前記光共振器からのレーザ出力ビームに結合し、前記レーザデバイスは、前記ベースプレート上に取り付けられ、前記レーザデバイスの出力レーザビームとして前記レーザ出力ビームを受け取る光アイソレータを備える請求項１２記載のレーザデバイス。
【請求項１７】
さらに、共通の電気制御信号を生成し、当該共通の電気制御信号を第１及び第２の電気制御信号に分割する制御ユニットを有し、
前記制御ユニットは、前記第１の電気制御信号を前記制御信号として前記レーザに与え、前記第２の電気制御信号を前記電気的共振器制御信号として前記電極に与え、前記レーザのチューニング及び前記光共振器のチューニングを同期させる請求項１２記載のレーザデバイス。
【請求項１８】
前記光共振器は、電気光学効果を示す電気光学材料で構成され、
前記レーザデバイスは、さらに、前記光共振器の前記電気光学材料に電気制御信号を与え、前記電気光学効果によって前記光共振器をチューニングし、かつ、前記電気制御信号から、前記レーザに与えられる別の電気制御信号を分割する制御ユニットを有し、
前記制御ユニットは、前記光共振器内の前記ウィスパリングギャラリーモードの前記レーザ光を前記レーザにフィードバックすることによって、前記レーザを前記光共振器に同期させながら、前記電気制御信号と前記別の電気制御信号を用いて、前記レーザのチューニングと前記光共振器のチューニングを同期させる請求項１記載のレーザデバイス。
【請求項１９】
前記光共振器は、環境摂動に対して前記ウィスパリングギャラリーモードを安定させるようにチューニング可能であり、前記光共振器から前記レーザへの前記レーザ光のフィードバックは、前記光共振器内の前記ウィスパリングギャラリーモードの安定性を前記レーザに伝える請求項１８記載のレーザデバイス。
【請求項２０】
前記ウィスパリングギャラリーモードの周波数を制御及びチューニングして、前記光共振器から前記レーザへの前記レーザ光のフィードバックを介して、前記レーザのレーザ周波数をチューニングする共振器チューニングメカニズムを備える請求項１８記載のレーザデバイス。
【請求項２１】
前記共振器チューニングメカニズムは、前記光共振器の温度を制御及びチューニングして、前記レーザのレーザ周波数をチューニングする請求項２０記載のレーザデバイス。
【請求項２２】
前記共振器チューニングメカニズムは、前記光共振器に加えられる圧力を印加及び制御して、前記レーザのレーザ周波数をチューニングする請求項２０記載のレーザデバイス。
【請求項２３】
前記制御ユニットは、前記光共振器の前記ウィスパリングギャラリーモードの周波数と前記レーザの前記レーザ周波数を変調するように構成されている請求項１８記載のレーザデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
優先権の主張及び関連出願
本出願は、２００７年６月１３日に出願された米国仮出願番号第６０／９３４，５２４号、発明の名称「Compact, Tunable, Ultranarrow-Line Source Based on a Laser Injection Locked to a Whispering Gallery Mode Optical Resonator」の優先権を主張し、この文献の開示内容は、引用によって、本願の一部として援用される。
【０００２】
本発明は、レーザ及びレーザ安定化に関する。
【背景技術】
【０００３】
レーザは、様々な摂動及び変化を被ることがあり、このような摂動及び変化は、レーザ動作に悪影響を与えることがある。例えば、温度の変動及び振動によって、レーザに、レーザ波長、レーザパワーレベル及びレーザの光位相の変動が引き起こされることがある。摂動及び変化に対してレーザを安定させ、レーザ線幅を縮小するために、様々なレーザ安定化技術を用いることができる。
【０００４】
レーザ安定化技術の１つの具体例では、光基準（optical reference）として、ファブリ・ペロー共振器（Fabry-Perot cavity）を用いて、ファブリ・ペロー共振器の共振周波数に対するレーザ周波数の変化を検出し、この周波数変化に基づいて誤差信号を生成し、この誤差信号を電気同期回路（electronic locking circuit）に供給して、レーザをチューニングし、ファブリ・ペロー共振器の共振周波数に対してレーザ周波数を同期又は安定させる。上述した電気的なフィードバック及び同期に加えて、光注入同期法（optical injection locking scheme）において、ファブリ・ペロー共振器を光周波数基準として用いて、光フィードバックをレーザに直接供給してレーザを安定させることもできる。例えば、半導体レーザのレーザ出力を外部の基準ファブリ・ペロー共振器に向け、外部のファブリ・ペロー共振器の光の反射又は透過を半導体レーザに向け戻して、レーザ波長を安定させ、半導体レーザのレーザ線幅を縮小することができる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本出願の明細書は、特に、光注入を介して、光学的なウィスパリングギャラリーモードに安定化されたレーザの具体例及び実現例を開示する。一側面においては、レーザデバイスは、制御信号に応じてチューニング可能であり、あるレーザ周波数でレーザビームを生成するレーザと、光共振器内を周回するウィスパリングギャラリーモードをサポートするように構造化され、レーザに光結合され、ウィスパリングギャラリーモードの光共振器内にレーザビームの一部を受け入れ、光共振器内のウィスパリングギャラリーモードのレーザ光をレーザに戻して、ウィスパリングギャラリーモードの周波数でレーザ周波数を安定させ、及びレーザの線幅を縮小する光共振器とを備える。
【０００６】
これらの及びこの他の具体例及び実現例は、図面、詳細な説明及び特許請求の範囲に開示されている。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】レーザがウィスパリングギャラリーモード光共振器に光結合され、光共振器からの光フィードバックを介して、光共振器に安定化されているレーザデバイスの具体例を示す図である。
【図２】図１のレーザデバイスに基づいて、共振器によって安定化されたレーザによって生成されたレーザ出力の測定値を示す図である。
【図３】ウィスパリングギャラリーモードをサポートする例示的な光共振器構成を示す図である。
【図４】ウィスパリングギャラリーモードをサポートする例示的な光共振器構成を示す図である。
【図５】ウィスパリングギャラリーモードをサポートする例示的な光共振器構成を示す図である。
【図６Ａ】ウィスパリングギャラリーモードをサポートする例示的な光共振器構成を示す図である。
【図６Ｂ】ウィスパリングギャラリーモードをサポートする例示的な光共振器構成を示す図である。
【図７Ａ】ウィスパリングギャラリーモード光共振器の結合のためのエバネッセント結合の具体例を示す図である。
【図７Ｂ】ウィスパリングギャラリーモード光共振器の結合のためのエバネッセント結合の具体例を示す図である。
【図８Ａ】チューニング可能な電子光学ＷＧＭ共振器の具体例を示す図である。
【図８Ｂ】チューニング可能な電子光学ＷＧＭ共振器の具体例を示す図である。
【図９】レーザがチューニング可能なウィスパリングギャラリーモード光共振器に光結合され、光共振器からの光フィードバックを介して光共振器に安定化されるレーザデバイスの具体例を示す図である。
【図１０】レーザがチューニング可能なウィスパリングギャラリーモード光共振器に光結合され、光共振器からの光フィードバックを介して光共振器に安定化される小型レーザデバイスの具体例を示す図である。
【図１１】図１０の小型レーザのパッケージング例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
レーザからウィスパリングギャラリーモード（whispering gallery mode：ＷＧＭ）共振器にレーザ光を向け、そして、レーザ光を直接注入によってＷＧＭ共振器からレーザに供給することによって、線幅縮小及び安定化のためにＷＧＭ共振器にレーザを同期させることができる。光ＷＧＭ共振器は、ウィスパリングギャラリーモードに光を閉じ込め、光は、閉環状の光路内で全反射される。ファブリ・ペロー共振器とは異なり、ＷＧＭ共振器内の光は、光透過によって共振器を出ることができず、この結果、ＷＧＭ共振器を用いることによって、ファブリ・ペロー共振器では達成することが困難な高い光の品質係数（optical quality factor：Ｑ値）を有する光共振器を実現することができる。ＷＧＭ共振器内の光は、ＷＧモードのエバネッセント場を介して、ＷＧＭ共振器の閉環状の光路の外表面から「しみだす（leaks）」。光カプラを用いて、このエバネッセント場を介するＷＧＭ共振器への又はＷＧＭ共振器からの光を結合することができる。具体例として、半導体レーザを、光注入設計における光結合を介して、品質係数（quality factor）Ｑが高いウィスパリングギャラリーモード共振器（ＷＧＭ）に直接結合して、レーザを安定させことができる。共振器を通過した光の一部は、反射してレーザに戻り、レーザ周波数（波長）を共振器の高Ｑモードの周波数に同期させ、及びスペクトル線を狭くする。ＷＧＭ共振器が環境摂動、例えば、温度の変動又は振動に対して安定化されている場合、共振器のモーダル周波数の安定性は、レーザ周波数又は波長に伝えられる。
【０００９】
ＷＧＭ共振器は、電気光学材料（electro-optic material）から形成でき、材料に適用される電気的制御信号を変化させることによってチューニングできる。光注入同期のため、レーザ波長又は周波数は、共振器へのＤＣ電圧の印加によってチューニングできる。更に、共振器の１つ以上の自由スペクトル領域に一致する周波数を有するマイクロ波又はＲＦ電磁波をＷＧＭ共振器に印加することによって、レーザ周波数は、位相変調及び／又は振幅変調される。共振器のモーダル周波数は、温度又は圧力の印加によって変更でき、共振器が電気光学材料から形成されている場合、印加されるＤＣ電位によって、レーザの周波数（波長）もチューニングできる。更に、レーザに印加されるＤＣ電流にマイクロ波信号を印加することによってレーザの周波数を変調する場合、レーザは、共振器に周波数（波長）が同期されたままとなる。この結果、変調可能な狭線幅レーザを得ることができる。ＷＧＭ共振器が電気光学材料から形成されている場合、適切な結合回路によってマイクロ波又はＲＦ電磁波を共振器に印加して、ＷＧＭ共振器に同期されたままのレーザの強度を変調することができる。
【００１０】
図１は、レーザデバイスの具体例を示しており、ここでは、レーザ１は、ウィスパリングギャラリーモード光共振器４に光結合され、光共振器４からの光フィードバックを介して、光共振器４に安定化されている。レーザ１は、レーザ制御回路からの制御信号に応じてチューニング可能（tunable）であり、また、発振器７からの制御信号によって変調することもできる。レーザ１は、あるレーザ周波数でレーザビームを生成し、このレーザ周波数は、様々な因子のためにドリフト又は変動することがある。光共振器４は、光共振器４内を周回するウィスパリングギャラリーモードをサポートするように構造化されている。光共振器４内の２つの逆方向に伝播するビーム５ａ、５ｂは、同じＷＧモード内にあってもよい。光共振器４は、レーザ１に光結合され、レーザビームの一部を、ウィスパリングギャラリーモードのビーム５ａとして、光共振器４内に受光する。受光されたビーム５ａのＷＧＭ光共振器内での散乱によって、同じＷＧモードで逆方向に伝播するビーム５ｂが生成される。逆方向に伝播するビーム５ｂを生成するために、オプションとして、光共振器４の表面に回折格子６を形成してもよい。この逆方向に伝播するビーム５ｂは、レーザ１から入って来るレーザビームと反対の方向に光共振器４から出て、この結果、レーザ１に結合して、注入同期が実現される。
【００１１】
この具体例では、ＷＧＭ共振器カプラ３を用いて、レーザ１からのレーザ光を光共振器４に結合し、共振器４からのウィスパリングギャラリーモードのビーム５ｂの光をレンズアセンブリ２に結合し、レーザ光をレーザ１に向け戻して、レーザ周波数をウィスパリングギャラリーモードの周波数に安定させ、レーザ１の線幅を縮小する。
【００１２】
レンズアセンブリ２は、様々な構成で実現できる。図１の具体例では、レンズアセンブリは、レーザ１に隣接して配置され、小さい開口を有するように構成され、レーザ１に光をフォーカスし、及びレーザ１から光を回収する第１のＧＲＩＮレンズ２ａと、光カプラ３に隣接して配置され、大きい開口を有するように構成され、光カプラ３に光をフォーカスし、及び光カプラ３から光を回収する第２のＧＲＩＮレンズ２ｂとを備える。光カプラ３は、様々な構成を有することができ、図１の具体例では、プリズムである。
【００１３】
ＷＧＭ共振器４は、環境摂動に対してウィスパリングギャラリーモードを安定させるようにチューニング可能であってもよく、光共振器からレーザへのレーザ光のフィードバックは、光共振器内のウィスパリングギャラリーモードの安定性をレーザに伝える。ウィスパリングギャラリーモードの周波数を制御及びチューニングするために、共振器チューニングメカニズムを設けてもよい。注入同期の状況下では、共振器４をチューニングすることによって、光共振器４からレーザ１へのレーザ光のフィードバックを介して、レーザ１のレーザ周波数がチューニングされる。一具体例では、共振器チューニングメカニズムは、光共振器４の温度を制御及びチューニングして、熱効果に基づいて、レーザ１のレーザ周波数をチューニングする。他の具体例では、共振器チューニングメカニズムは、光共振器に加えられる圧力を印加及び制御して、レーザのレーザ周波数をチューニングする。更に他の具体例では、光共振器４は、光共振器４に印加される電位に応じて、屈折率を変化させる電気光学材料を含み、共振器チューニングメカニズムは、この電位を印加及び制御して、レーザ１のレーザ周波数をチューニングする。また、共振器チューニングメカニズムは、電位を変調して、光共振器４のウィスパリングギャラリーモードの周波数及びレーザ１のレーザ周波数を変調するように構成することもできる。レーザ１及び共振器４の制御を同時に行って、レーザの周波数チューニング範囲を広げてもよく、したがって、制御メカニズムは、レーザ周波数をウィスパリングギャラリーモードの周波数で安定させながら、光共振器４のウィスパリングギャラリーモードの周波数を調整するとともにレーザ１のレーザ周波数を調整するように実現できる。
【００１４】
図２は、図１のレーザデバイスに基づいて、共振器によって安定化されたレーザによって生成されたレーザ出力の測定値を示している。この具体例では、ＷＧＭ共振器４のＱは、１０９であり、レーザは、半導体レーザであり、レーザへの電流がチューニングされる。
【００１５】
本発明における図１のＷＧＭ共振器４及び他のデバイスは、様々な構成で実現することができる。図３、図４及び図５は、このようなＷＧＭ共振器を実現するための３個の例示的な幾何学的構成を示している。
【００１６】
図３は、ソリッドな固体誘電体球（solid dielectric sphere）である球体のＷＧＭ共振器１００を示している。球１００は、平面１０２内に、ｚ軸１０１を中心に対称な均分円（equator）を有する。平面１０２の外周は、円形であり、平面１０２は、円形断面である。ＷＧモードは、球体の外表面内で均分円を巡って存在し、共振器１００内を周回する。均分円平面１０２の周りの外表面の球体の曲率は、ｚ方向及びこれに垂直な方向の両方に沿って空間閉じ込めを提供し、ＷＧモードをサポートする。一般に、球１００の離心率は低い。
【００１７】
図４は、例示的な回転楕円体状の微小共振器（spheroidal microresonator）２００を示している。この共振器２００は、楕円の短軸１０１（ｚ）に沿う対称軸を中心に、（軸長ａ及びｂを有する）楕円を回転させることによって形成してもよい。したがって、図３の球体の共振器と同様に、図４の平面１０２は、円形の外周を有する円形断面である。図４の平面１０２は、図３の設計とは異なり、非球体の回転楕円体の円形断面であり、回転楕円体の楕円短軸を中心としている。共振器１００の離心率は、（１−ｂ２／ａ２）１／２であり、一般に、高く、例えば、１０−１より大きい。したがって、共振器２００の外表面は、球の一部ではなく、球体の外周に比べて、ｚ方向に沿ったモードに、より強い空間的な閉じ込めを提供する。詳しくは、ｚ軸を含む平面、例えば、ｚｙ平面又はｚｘ平面内の空洞の幾何学的形状は、楕円である。共振器２００の中心における均分円平面１０２は、軸１０１（ｚ）に垂直であり、ＷＧモードは、共振器２００内で平面１０２の外周の近くを周回する。
【００１８】
図５は、他の例示的なＷＧＭ共振器３００を示しており、ＷＧＭ共振器３００は、非球体の外面を有し、外面の輪郭は、デカルト座標における二次方程式によって数学的に表すことができる一般的な円錐の形状である。図３及び図４における幾何学的形状と同様に、外表面は、平面１０２内の方向及び平面１０２に垂直なｚ方向の両方に曲率を提供し、ＷＧモードを閉じ込め、サポートする。このような非球体、非楕円体の表面は、例えば、放物線又は双曲線であってもよい。図５の平面１０２は、円形断面であり、ＷＧモードは、均分円の円形の周り周回する。
【００１９】
図３、図４及び図５における例示的な幾何学的形状は、全て、ＷＧモードが平面１０２を周回する軸１０１（ｚ）を中心に、軸対称又は円筒対称であるという共通の幾何学的特徴を共有している。曲がった外表面は、平面１０２の周囲に沿って滑らかであり、平面１０２の周りに二次元閉じ込めを提供して、ＷＧモードをサポートする。
【００２０】
なお、各共振器におけるｚ方向１０１に沿ったＷＧモードの空間的な広がりは、平面１０２の上方及び下方に制限され、したがって、球１００、回転楕円体２００又は円錐形状３００の全体を有する必要はない。これに代えて、ＷＧＭ共振器のために、全体の形状のうち、平面１０２の周りでウィスパリングギャラリーモードをサポートするために十分な大きさの一部だけを用いてもよい。例えば、球の適切な部分から形成されたリング、ディスク及び他の幾何学的形状を、球体のＷＧＭ共振器として用いることができる。
【００２１】
図６Ａ及び図６Ｂは、それぞれ、ディスク状のＷＧＭ共振器４００及びリング状のＷＧＭ共振器４２０を示している。図６Ａでソリッドディスク４００は、中心面１０２より上の上面４０１Ａ及び中心面１０２より下の底面４０１Ｂを有し、上面４０１Ａと底面４０１Ｂとの間は、距離Ｈだけ離間している。距離Ｈは、ＷＧモードをサポートするために十分な長さを有する。図５、図６Ａ及び図６Ｂに示すように、共振器は、中心面１０２より上で、この十分な距離を超える部分に鋭いエッジを有していてもよい。所望のＷＧモード及びスペクトル特性を達成するために、外面である曲面４０２は、図３、図４及び図５に示す形状の何れから選択してもよい。図６Ｂのリング共振器４２０は、図６Ａのソリッドディスク４００から中心部分４１０を取り除くことによって形成してもよい。ＷＧモードは、外表面４０２に近いリング４２０の外側の部分に存在しているので、リングの厚さｈは、ＷＧモードをサポートするために十分大きくなるように設定すればよい。
【００２２】
光カプラは、通常、エバネッセント結合によって、ＷＧＭ共振器への又はＷＧＭ共振器からの光エネルギを結合するために使用される。図７Ａ及び図７Ｂは、ＷＧＭ共振器と連携する２つの例示的な光カプラを示している。光カプラは、共振器の外表面に直接接触していてもよく、共振器の外表面から空隙をあけて離間して、所望の臨界結合を実現していてもよい。図７Ａは、ＷＧＭ共振器のためのカプラとして用いられる斜め研磨されたファイバチップ（angle-polished fiber tip）を示している。斜めの端面（angled end facet）を有する導波路、例えば、プレーナ導波管又は他の導波路をカプラとして用いてもよい。図７Ｂは、ＷＧＭ共振器のためのカプラとして用いられるマイクロプリズムを示している。また、例えば、光バンドギャップ材料（photonic bandgap material）から形成されたカプラ等の他のエバネッセントカプラ（evanescent coupler）を用いてもよい。
【００２３】
一様な屈折率を有するＷＧＭ共振器では、ＷＧモードの電磁場の一部は、共振器の外表面に存在する。適切な光結合を達成するためには、通常、光カプラと一様な屈折率を有するＷＧＭ共振器との間に間隙が必要である。この間隙は、ＷＧモードを適切に「アンロード」するために用いられる。ＷＧモードのＱ値は、ＷＧＭ共振器の誘電材料の特性、共振器の形状、外部の条件、及びカプラ（例えば、プリズム）を介する結合の強度によって決定する。全てのパラメータが臨界結合条件を達成するために適切なバランスを保っている場合に、Ｑ値が最も高くなる。一様な屈折率を有するＷＧＭ共振器において、プリズム等のカプラが共振器の外表面に接触している場合、結合が強くなり、このようなローディングによって、Ｑ値が小さくなることがある。したがって、表面とカプラの間の間隙を用いて、結合を減少させ、Ｑ値を増加させる。この間隙は、通常、非常に小さく、例えば、ＷＧモードに結合される光の１波長未満である。精密な位置決めデバイス、例えば、圧電素子を用いて、この間隙を正しい値に制御及び維持してもよい。
【００２４】
図８Ａ及び図８Ｂは、本発明に基づくレーザデバイスにおいて好適に使用されるチューニング可能な電気光学ＷＧＭ共振器１０００の具体例を示している。共振器１０００のための電気光学材料は、電気光学結晶、例えば、ニオブ酸リチウム、及び半導体多重量子井戸構造を含む適切な如何なる材料であってもよい。共振器１０００上に１つ以上の電極１０１１、１０１２を形成して、ＷＧモードが存在する領域に制御電場を印加して、電気光学材料の屈折率を制御し、及び共振器のフィルタ関数を変更してもよい。共振器１０００が、図６Ａ又は図６Ｂに示すようなディスク状又はリング状の幾何学的形状を有している場合、図８Ｂのデバイスの側面図に示すように、電極１０１１を共振器の上面に形成し、電極１０１２を共振器の底面に形成してもよい。一具体例では、電極１０１１、１０１２は、所望の光のＷＧモードと共に伝播するＲＦ又はマイクロ波信号を印加するＲＦ又はマイクロ波共振器を構成してもよい。電極１０１１、１０１２は、マイクロストリップ線路電極であってもよい。変化するＤＣ電圧を印加してＷＧＭ周波数をチューニングすることができ、ＲＦ又はマイクロ波信号を印加してＷＧＭ周波数を変調することができる。
【００２５】
図９は、レーザデバイスの具体例を示しており、ここでは、レーザは、チューニング可能なウィスパリングギャラリーモード光共振器に光結合され、光共振器からの光フィードバックを介して光共振器に安定化される。この具体例では、レーザをチューニング又は変調することによってレーザ１を制御するレーザ制御ユニットと、ＷＧ共振器をチューニング又は変調する共振器制御ユニットとを設けている。レーザ制御ユニット及び共振器制御ユニットは、互いに通信し、注入同期動作の条件下で、レーザ１及び共振器４を同時に制御することができる。
【００２６】
例えば、レーザ周波数と共振器４のＷＧＭ周波数との両方を同期させてチューニングできる。これは、共振器制御ユニットによって共振器４に印加される電圧を、レーザ制御ユニットへの信号として分割することによって達成してもよい。レーザ制御ユニットは、この分割された信号を用いてレーザ１を駆動する電流を制御する。レーザ１と共振器４の両方をチューニングするこの同時の動作によって、レーザデバイスの周波数チューニング範囲を広げることができる。
【００２７】
以上に基づいて、ウィスパリングギャラリーモード光共振器によって、ウィスパリングギャラリーモードをサポートするために電気光学材料から形成されている光共振器へのレーザ出力と、ウィスパリングギャラリーモードのレーザ光からのレーザ光とを結合することによって、チューニング可能なレーザを制御及びチューニングできる。そして、光共振器から結合されるレーザ光は、レーザに光注入され、ウィスパリングギャラリーモードの周波数でレーザ周波数を安定させ、レーザの線幅を縮小する。レーザへの制御信号及び光共振器の電気光学材料に印加される電圧の一方又は両方を制御して、ウィスパリングギャラリーモードの周波数でレーザ周波数を安定させながら、レーザ周波数をチューニングすることができる。この方式の下で、様々な動作を実現できる。例えば、光共振器の電気光学材料に印加される電圧を変調して、レーザ周波数を変調することができる。他の具体例として、光共振器の電気光学材料に印加される電圧を変調して、レーザからのレーザ出力を変調し、及びレーザへの制御信号を同時にチューニングして、レーザ周波数をチューニングすることができる。
【００２８】
図１０は、レーザデバイスの具体例を示しており、ここでは、レーザは、チューニング可能なウィスパリングギャラリーモード光共振器に光結合され、光共振器からの光フィードバックを介して光共振器に安定化される。この小型レーザデバイスは、ベースプレートを備え、小型パッケージ内で、このベースプレート上に他の部品が取り付けられている。ここに示すように、ベースプレートには、半導体レーザが取り付けられており、半導体レーザは、電気的なレーザ制御信号に応じて、あるレーザ周波数でレーザビームを生成するようにチューニング可能である。また、ベースプレートには、電気光学材料から形成されている光共振器が取り付けられており、光共振器は、光共振器内で、互いに反対の第１及び第２の方向に沿って周回するウィスパリングギャラリーモードの光をサポートする。また、ベースプレートには、光カプラが取り付けられており、光カプラは、光共振器に光結合され、レーザからのレーザビームのレーザ光を、ウィスパリングギャラリーモードのレーザ光として光共振器にエバネッセント結合し、及び光共振器からのレーザ光をエバネッセント結合して、フィードバックレーザ光を生成する。また、ベースプレートには、レンズアセンブリが取り付けられており、レンズアセンブリは、レーザと光カプラとの間で光結合され、レーザから光カプラにレーザビームを向け、及び光カプラからレーザにフィードバックレーザ光を向ける。共振器については、電気的共振器制御信号を受信する電極が光共振器上に形成されており、光共振器上の電極に電気的共振器制御信号を供給する電気的フィード導体（electrical feed conductor）がベースプレート上に形成されている。
【００２９】
プリズムカプラ、共振器及びレーザチップの間で、光ビームの垂直なアラインメントを確実にするために、ベースプレート上のレーザと光共振器との間の光路内に光学的に透明なプレートを取り付けており、光学的に透明なプレートは、ベースプレートからのレーザビームの高さを変更するために調整可能である。可調整ロッドは、溝状のホルダ内に配置され、透明なプレートを保持し、調整を提供する。共振器とプリズムカプラとの間の間隙は、光カプラに係合され、光カプラと光共振器との間の間隙を制御するように動作可能な位置コントローラによって制御されている。
【００３０】
他の側面では、光カプラは、光共振器からのレーザ出力ビームに結合し、レーザデバイスは、ベースプレートに取り付けられ、レーザデバイスの出力レーザビームとしてレーザ出力ビームを受け取る光アイソレータを備える。
【００３１】
図１１は、図１０の小型レーザのパッケージング例を示している。このパッケージは、例えば、レーザ制御ユニット及び共振器制御ユニット等のパッケージ内の全ての部品の電気的な入出力接続を提供するチップ入出力コネクタを有する。
【００３２】
本明細書は、多くの詳細事項を含んでいるが、これらの詳細事項は、任意の発明の範囲又は特許請求の範囲を限定するものとは解釈されず、特定の実施の形態の特定の特徴の記述として解釈される。本明細書おいて、別個の実施の形態の文脈で開示した幾つかの特徴を組み合わせて、単一の実施の形態として実現してもよい。逆に、単一の実施の形態の文脈で開示した様々な特徴は、複数の実施の形態に別個に具現化してもよく、適切な如何なる部分的組合せとして具現化してもよい。更に、以上では、幾つかの特徴を、ある組合せで機能するものと説明しているが、初期的には、そのように特許請求している場合であっても、特許請求された組合せからの１つ以上の特徴は、幾つかの場合、組合せから除外でき、特許請求された組合せは、部分的組合せ又は部分的な組合せの変形に変更してもよい。
【００３３】
幾つかの具体例のみを開示した。本出願において説明し例示したことから、変形例、拡張例及び他の具体例を想到できることは明らかである。
【図１】
0005514102.tif 000002
【図２】
0005514102.tif 000003
【図３】
0005514102.tif 000004
【図４】
0005514102.tif 000005
【図５】
0005514102.tif 000006
【図６Ａ】
0005514102.tif 000007
【図６Ｂ】
0005514102.tif 000008
【図７Ａ】
0005514102.tif 000009
【図７Ｂ】
0005514102.tif 000010
【図８Ａ】
0005514102.tif 000011
【図８Ｂ】
0005514102.tif 000012
【図９】
0005514102.tif 000013
【図１０】
0005514102.tif 000014
【図１１】
0005514102.tif 000015